1.4. Сравнительный анализ различных систем электроприводов.

Для управления процессом бурения в буровых станках и установках применяют различные виды приводов, как электрических, так и пневматических, гидравлических и др.

Довольно длительный период времени, вплоть до недавнего прошлого, в буровой технике преобладали неэлектрические по характеру потребления энергии типы приводов основной рабочей машины (особенно в угольно-добывающей промышленности), что связанно с большей безопасностью использования пневмодвигателей с взрывоопасными материалами и их большая устойчивость к агрессивной среде. В настоящее же время, с появлением взрывобезопасных типов электродвигателей, благодаря совершенствованию изоляционных материалов и систем защиты, наметилась тенденция постоянного увеличения доли электроприводов среди других типов приводов в буровом оборудовании.

Для управления механизмами буровых станков, не требующими регулирования скорости вращения бура, используют магнитные или тиристорные пускатели, а для управления станками, требующими регулирования скорости, чаще свего используют системы «генератор — двигатель» (Г – Д), «тиристорный преобразователь — двигатель» (ТП – Д), «преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ПЧ-АД).

Автоматизация производственных процессов на электротехнической основе требует электроприводов с регулированием скорости в широком диапазоне.

Наиболее полно удовлетворяют требованиям различных механизмов в отношении регулирования скорости являются электроприводы постоянного тока, особенно система генератор-двигатель.

Наряду с широким диапазоном регулирования скорости, достигающим в отдельных случаях значений 100 — 200 и более, система генератор-двигатель обеспечивает возможность получения специального вида механических характеристик электропривода и необходимый характер протекания переходных процессов — форсирование пуска, плавное и интенсивное торможение и т. п.

Несмотря на высокие технические свойства, постоянного тока по экономическим и эксплуатационным показателям во многом уступают асинхронным двигателям.

Сравнение технико-экономических показателей двигателей постоянного тока общепромышленной серии П и асинхронных двигателей единой серии А, показывает, что при одинаковой мощности и скорости вращения двигатели постоянного тока по весу в 1,2— 1,5 раза тяжелее, в 3 раза дороже асинхронных, их маховой момент в 1,5—2 раза больше. Динамические свойства двигателей постоянного тока также менее благоприятны; так, отношение шагового момента к номинальному вращающему моменту двигателей постоянного тока в 2—2,5 раза больше, чем у асинхронных. Двигатели постоянного тока конструктивно сложнее, требуют значительно большего расхода цветного металла и более трудоемки в изготовлении.

Наличие в двигателе постоянного тока коллектора — элемента, требующего постоянного и тщательного ухода — осложняет эксплуатацию и снижает надежность работы. Нельзя не отметить, что полезного действия даже весьма крупных приводов по системе не превышает 0,75—0,80, а в отдельных случаях опускается до 0,6—0,65 и даже ниже.

Из-за этого двигатели постоянного тока заменены более простыми по конструкции и дешевыми асинхронными двигателями.

Методы регулирования скорости электроприводов с асинхронными двигателями делятся на две группы:

а) параметрические методы (изменение активного сопротивления

ротора, полного сопротивления статора или ротора, переключение числа пар полюсов, импульсное включение);

б) регулирование при питании двигателя от отдельного источника энергии (питание двигателя от источника переменной частоты, каскадные установки с введением добавочных э.д.с. во вторичную цепь двигателя).

Для привода современных технологических установок применяют наиболее надежные и высокоэкономичные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Такой привод значительно проще и надежнее электропривода постоянного тока и асинхронного двигателя с фазным ротором.

Для плавного пуска и регулирования скорости часто применяется реостатное управление асинхронным двигателем с фазным ротором.Однако при реостатном способе управления двигателем плавность пуска обеспечивается только за счет увеличения числа пусковых ступеней, что вынуждает использовать громоздкие релейно-контакторные панели с большим количеством тяжелой коммутирующей аппаратуры.

На всем диапазоне регулирования обеспечивается постоянный допустимый по нагреву момент.

Регулирование скорости введением активного сопротивления в цепь ротора обладает следующими недостатками:

а) механическая характеристика приобретает значительную крутизну;

б) предел регулирования скорости зависит от степени загрузки двигателя, суживаюсь при уменьшении нагрузки;

в) при холостом ходе регулирование скорости практически невозможно;

г) расход энергии во вторичной цепи двигателя при регулировании скорости определяется диапазоном изменения последней и характером зависимости статического момента приводимого механизма от скорости.

Данный способ используется в тех случаях, когда продолжительность работы с пониженной скоростью невелика и не требуется высокой точности регулирования скорости. Этот ряд недостатков делает не целесообразным использование этого метода управления для электропривода конвейера.

Широко распространенный параметрический способ регулирования скорости и момента двигателя осуществляемый с помощью регуляторов напряжения статора и тока ротора позволяет осуществить пуск конвейера с заданным ограниченным ускорением. Но не позволяет получить широкий диапазон регулирования скорости конвейера, при использовании серийных асинхронных электродвигателей.

Частотный способ является одним из наиболее перспективных и широко используемых в настоящее время способов регулирования скорости АД. Схема приведена на. Принцип его заключается в том, что, изменяя частоту 6 питающего АД напряжения, можно в соответствии с выражением изменять его синхронную скорость, получая тем самым различные искусственные характеристики

Этот способ обеспечивает плавное регулирование, в широком диапазоне, получаемые характеристики обладают высокой жесткостью. Частотный способ к тому же отличается и еще одним весьма важным свойством: при регулировании скорости АД не происходит увеличения его скольжения, как это имеет место, например, при реостатном регулировании. Поэтому при этом способе регулирования потери скольжения, оказываются небольшими, в связи, с чем частотный способ наиболее экономичен.

Для лучшего использования АД и получения высоких энергетических показателей его работы — коэффициентов мощности, полезного действия, перегрузочной способности — одновременно с изменением частоты питающего напряжения необходимо изменять и значение этого напряжения. Закон изменения напряжения при этом зависит от характера момента нагрузки.

Частотное управление является экономичным, так как регулирование скорости АД в этой системе не сопровождается выделением больших потерь скольжения в роторной цепи, ухудшающих КПД электропривода и приводящих к необходимости завышения мощности АД.

Регулирование в этой системе, может осуществляться плавно, в широком диапазоне, в обе стороны от естественной характеристики, т. е. АД, может иметь скорость как больше, так и меньше номинальной. При этом регулировочные характеристики имеют высокую жесткость, а АД сохраняет большую перегрузочную способность.

Во многих случаях хорошие показатели регулирования могут быть достигнуты в разомкнутой системе. При повышенных требованиях к электроприводу необходимо использование тех или иных обратных связей, т.е. применение замкнутой системы регулирования. Получаемый диапазон регулирования скорости в разомкнутых системах составляет 5—10, а в замкнутых его значение может достигать 1000 и более.

Частотный способ управления находит в настоящее время все более широкое применение. Более того, можно назвать случаи, где использование частотно-управляемого асинхронного электропривода является единственно возможным, например привод высокоскоростных электрошпинделей, электроверетен, вентиляторов высокоскоростных аэродинамических труб, различных испытательных стендов и т.д.

Из рассмотренных способов регулирования скорости асинхронных электроприводов самым эффективным является частотное регулирование, отличающееся высокими энергетическими показателями, возможностью управления скорости в большом диапазоне со значительной перегрузочной способностью.

Развитие в настоящее время полупроводниковой техники и создание на этой базе преобразователей частоты будет способствовать широкому внедрению электроприводов переменного тока с частотным управлением.